页岩气储层四维地应力演化及加密井复杂裂缝扩展研究进展

油气藏流体运移及地层岩石形变贯穿油气开发始终,是油气开发的核心科学问题.页岩储层天然裂缝发育、地层流体流动机理多样、岩石力学参数呈现非均质性和各向异性等特征,致使页岩气储层气藏渗流—地质力学耦合问题异常复杂.页岩气井生产过程中井筒周围储层产生不同程度的压降,扰动压降区的原地应力,储层应力随开采时间不断演化,即四维动态地...     

致密油水平井注采储集层四维地应力演化规律——以鄂尔多斯盆地元284区块为例

综合考虑储集层物性和力学参数的非均质性、初次压裂裂缝以及实际注采制度影响,提出了一套致密砂岩油注采开发过程中储集层多物理场四维地应力演化数值模拟方法,建立了致密砂岩油储集层渗流-地质力学耦合的四维地应力演化模型,以鄂尔多斯盆地华庆油田元284区块为例,开展了水平井注采开发过程中四维地应力演化规律研究.研究表明:①受注采...     

深层页岩气储层水力压裂裂缝扩展影响机理

现有中浅层页岩气压裂取得的认识难以解释深层页岩气储层压裂过程中水力裂缝扩展的影响机理。为了研究四川盆地深层页岩气储层水力压裂裂缝扩展机理,文中以泸州深层页岩气区LS1平台为研究对象,进行基于地质-工程一体化的水力压裂裂缝扩展数值模拟与分析。首先,根据泸州区块目标井区储层的地质概况,建立地质模型,明确地质力学属性;然后,基于微地震和蚂蚁体数据,建立符合真实储层构造特性的离散天然裂缝网络;在此基础上,根据现场实际施工数据,建立了基于DFN的水力压裂复杂裂缝扩展模型,并基于微地震监测结果对模型进行了验证;最后,还研究了4个单因素对储层改造体积的影响特点。研究结果对深层页岩气储层水力压裂复杂缝网研究有一定的指导作用。     

涪陵页岩气藏开采动态地应力演化规律研究

涪陵页岩气田储层孔隙压力和地应力随着页岩气开采不断演化,使得新井的钻井及压裂地层应力环境与在产老井存在明显差异,准确评价老井压后生产过程中的动态地应力演化规律对后期新井部署和压裂改造设计具有重要意义。针对该问题,文章综合考虑页岩气储层地质力学参数、天然裂缝等的非均质性和各向异性,并基于页岩气藏老井压后开采储层四维地应力演化方法,以四川盆地涪陵页岩气L-Z立体井组为例,建立了渗流—应力交叉耦合的动态地质力学模型,模拟了该井组老井压裂复杂裂缝扩展及压后长期开采四维地应力动态演化,研究发现：在67个月的开采时间段内,孔压和地应力不断降低;孔压和地应力的变化集中分布在各生产井轨迹周围,同时受到压裂改造范围的影响;在老井当前改造范围下,压后开采横向波及范围约为压后生产段改造范围的1.6倍,纵向波及范围基本与压后生产段纵向改造范围相等。研究成果为涪陵页岩气立体化新井压裂开发提供了有效的理论与技术支撑。     

页岩储层复杂裂缝扩展研究

页岩储层孔隙度和渗透率低,岩石脆性大,天然裂缝发育。大规模水力压裂过程中,页岩储层易发生张性破坏和剪切破坏相结合的复合破坏,形成复杂网状裂缝,而网状裂缝的展布形态关系到页岩压裂方案的设计和压后产能的评估。针对页岩储层网状裂缝扩展问题,基于流-固耦合方程和损伤力学原理,建立了二维网状裂缝扩展有限元模型。综合研究认为:水平主应力差增大,压裂裂缝分布长度增加,分布宽度降低,长宽比增大;压裂施工排量降低,压裂裂缝复杂程度降低,压裂裂缝分支数减少,分布长度增加,分布宽度降低,长宽比增大;水平井"多段分簇"压裂可能出现多裂缝干扰问题,部分压裂裂缝在延伸过程中止裂或者沟通两端射孔簇的压裂裂缝;水平井"多段分簇"压裂过程中,各个射孔簇形成的压裂裂缝分支长度差别较大,部分裂缝分支长度明显大于其他裂缝分支。     

基于地质工程一体化的煤层气储层四维地应力演化模型及规律

重复压裂是缓解煤层气产量下降,提高采收率的有效方法之一。为了解决传统三维静态模型无法预测强非均质性储层在生产过程中地应力变化的问题,以沁水盆地东南部煤层气储层为例,围绕煤层气开采条件下渗流—应力耦合的四维地应力演化问题,创建了煤层气藏有限差分渗流矩形正交网格和有限元地质力学三维四面体网格的数据动态相互映射子程序,结合煤岩储层的非均质性和煤层气藏地质模型,建立了基于地质工程一体化的煤层气储层四维地应力多物理场耦合模型。研究结果表明：(1)地应力反演结果与现场测试结果误差小于8%,证明了本文提出的四维地应力模型具有较高的计算准确度;(2)经过14年的开采,目标区内孔隙压力下降了约0.70 MPa,最大水平主应力下降了1.14～1.54 MPa,最小水平主应力下降了1.79～1.87 MPa;(3)天然气产量较高的井周附近,地应力方向有明显偏转;对比6口重复压裂备选井地应力变化强弱,P9井地应力偏转程度高,对该井3#煤层重复压裂施工,取得了较好的增产效果。结论认为,研究成果可为煤层气等非常规油气藏的排采制度调整、加密井井壁稳定性分析、重复压裂优化设计等提供技术支撑和借鉴。     

基于FEM-DFN的页岩气储层水力压裂复杂裂缝交错扩展模型

页岩气藏压裂过程中,常遇到因施工压力超限储层压不开、近井地带裂缝形态复杂而引起砂堵的恶性事故,如何有效模拟复杂裂缝的起裂与交错扩展形态是页岩气体积压裂优化设计的关键。为此,基于有限元—离散裂缝网络(FEM-DFN),考虑水力裂缝扩展的非线性损伤破裂力学行为与裂缝面摩擦效应,改进了拉伸—剪切复合破裂模式的本构方程,建立了基于显式时间积分的页岩气储层水力压裂复杂裂缝交错扩展的多场耦合模型,并在实验室和现场微地震监测中进行了验证。研究结果表明：(1)水力裂缝与天然裂缝交错机制主要为2类,即被天然裂缝诱导并沿天然裂缝扩展、直接穿透天然裂缝,地质与工程因素对交错机制的转变存在阈值,当排量超过26 m³/min时,或压裂液黏度超过40mPa·s时,或应力差超过18MPa时,或裂缝面摩擦系数超过0.8时,水力裂缝将直接穿透天然裂缝;(2)天然裂缝对水力裂缝的诱导作用随着两者夹角的变化而变化,在夹角较小的情况下,水力裂缝容易在最大水平主应力方向交汇点之前提前被天然裂缝诱导,而当夹角增大时则在交汇点处进入天然裂缝扩展,且表现为一侧拉张裂缝一侧剪切裂缝;(3)相邻两簇水力裂缝容易在天...     

页岩储层压裂裂缝扩展规律及影响因素研究探讨

油气勘探开发领域从常规油气向非常规油气跨越,是石油工业发展的必然趋势.全球"页岩气革命"推动页岩气勘探开发技术得到了迅速发展,水力压裂成为页岩气高效开发的关键技术之一.为了实现致密页岩储层的商业开采,必须通过大规模全井段储层缝网体积改造才能获取经济产能.目前复杂裂缝网络的形态和扩展规律仍是压裂施工中面临的关键难题,严重...     

非常规储层超临界CO2压裂复杂裂缝扩展模型

超临界CO₂压裂是一种很有前景的非常规储层开采技术,由于其具有黏度低、流动能力强的特征,使得压裂时产生多分支的复杂裂缝。目前大多数水力裂缝扩展模型需要指定裂缝扩展路径和方向,无法得到实际的复杂裂缝扩展结果,因此文中在考虑超临界CO₂低黏度特性的基础上,建立了非常规储层超临界CO₂压裂流-固耦合复杂裂缝扩展模型。该模型通过建立弱形式有限元公式和有限差分公式,实现了岩石变形和流体运移的耦合计算;同时,在裂缝分支处引入Kirchhoff定律,实现了复杂裂缝分支处的流量守恒。数值模拟与实验结果吻合程度良好,验证了模型的准确性。通过研究发现,超临界CO₂压裂时,裂尖区域有更高的流体压力用来造缝,裂缝分叉处产生大量剪切破坏裂缝。     

径向井立体压裂裂缝扩展数值模拟

基于有限元-无网格法,考虑压裂液流动与岩石基质变形的耦合作用,建立了径向井压裂裂缝扩展数值模型,模拟了径向井压裂裂缝形态,定量表征了径向井对裂缝的诱导作用,揭示了方位夹角、水平主应力差与岩石基质渗透率等对裂缝形态演化的影响机制。研究表明,同层双分支径向井压裂时径向井间存在挤压作用,当径向井沿最小水平主应力方向对称分布且方位夹角大于15°时,挤压作用减小了径向井的裂缝引导长度,当径向井沿最大水平主应力方向对称分布时,挤压作用增大了径向井的裂缝引导长度。裂缝形态由径向井的纠偏作用、径向井间的挤压作用与最大水平主应力的偏转作用共同控制。当径向井沿最小水平主应力方向对称分布时,径向井的裂缝引导长度随着方位夹角的增大逐渐减小,当径向井沿最大水平主应力方向对称分布时,径向井的裂缝引导长度随着方位夹角的增大先减小后增大。径向井的裂缝引导长度随水平主应力差的增大而减小。岩石基质渗透率增大,径向井周围基质的孔隙压力增大,对裂缝的诱导作用增强。     

页岩气藏水平井井壁稳定性研究

页岩气藏开发采用的井型一般为水平井,在层理发育的页岩地层中钻井一般都存在严重的井壁失稳问题。为此,根据有效应力理论改进了层理地层水平地应力计算模型,并结合川南地区所取岩心进行室内强度实验,选取适当的破坏准则,对比2个地层水平地应力计算模型和水平井眼井周应力状态,得出了页岩气藏水平井坍塌压力随层理面产状的变化规律。研究结果发现：对于页岩地层而言,采用常规的均质地层水平地应力预测模型研究井壁稳定性,低估了水平井的地层坍塌压力;采用改进的水平地应力预测模型计算得出的坍塌压力与实际情况吻合较好;沿最小水平地应力方向钻进的水平井,地层坍塌压力在某一地层倾角处存在极大值,更高的倾角反而有利于井壁稳定。研究结论可以为页岩气井钻井设计提供参考。     

考虑应力敏感和复杂运移的页岩气藏压力动态分析

页岩气藏渗透率极低,储层存在很强的应力敏感性,所以需对其进行水力压裂。通过分析吸附解吸、Knudsen扩散、非稳态窜流和渗流等多种气体运移机制来建立页岩气藏复合模型,采用Mathieu函数、Pedrosa变量代换、正则摄动理论、拉普拉斯变换和Stehfest数值反演等方法来求解数学模型,并绘制出无因次拟压力曲线,同时对渗透率模量、SRV半径、外区裂缝渗透率、扩散系数和解吸压缩系数等相关参数进行敏感性分析。结果显示：气体流动阶段可划分为9段,渗透率模量的增加导致气井定产量生产时所需压差增大,而SRV半径和解吸压缩系数的增大使得压差减小;较大的外区裂缝渗透率与较小的流度比相对应,扩散系数越大,页岩基质表观渗透率越大,窜流发生的越早。提出的试井模型可提高页岩气藏压力动态分析的准确性,对压裂开发页岩气藏具有一定的理论指导意义。     

地应力对页岩储层开发的影响与对策

油气富集程度和页岩脆性在北美页岩油气开发中是地质条件方面成功与效益的关注重点,但对于中国四川盆地海相页岩储层,除上述因素外,复杂地质构造下高地应力条件成为阻碍效益开发的主要因素之一。重点阐述了复杂地应力下水力压裂裂缝扩展机理,展示了复杂构造下不利地应力条件对钻井压裂效果的重要影响;四川盆地页岩气储层的最小水平主应力较高,因此具有较高的破裂压力。通过理论分析和案例应用,提出钻井和完井的优化设计,包括水平井钻井方向、井筒轨迹以及完井压裂层段的选取。根据四川盆地不同地区地应力状况,提出涪陵、威荣和威远页岩气田的钻完井建议。     

页岩气藏应力敏感效应实验研究

页岩气藏降压开采过程中,地层压力和井底压力的变化导致气藏产生应力敏感效应,使气藏流体的流动动态和气藏产能受到影响。为了明确开采压力的下降对气藏渗透率变化的影响,实验通过改变内压与围压这2种方式,对页岩气藏的应力敏感效应进行了研究。研究结果表明:页岩的渗透率随着内压的降低而下降,随着上覆岩层压力的增加而下降;页岩渗透率与内压的变化存在明显的指数关系;页岩对外压的敏感效应远远大于对内压的敏感效应。该研究对确定页岩气藏产能及制订气井合理生产制度具有一定意义。     

页岩储层裂缝网络延伸模型及其应用

页岩压裂后水力裂缝与天然裂缝交织形成的复杂裂缝网络无法应用传统基于对称双翼裂缝的压裂模型进行几何参数模拟。借鉴双重介质油藏理论,将页岩改造体积划分为裂缝网格和基质2种介质,假设改造体积为椭球体,提出以主干缝和小尺度次生缝网络构建整个复杂裂缝网络的几何模型。主干缝几何参数以拟三维压裂模型为基础计算,次生缝参数通过椭圆函数进行计算,并对建立的数学模型进行计算分析。通过对美国Piceance页岩盆地储层改造设计的应用,证明了该模型同现场数据吻合较好。模拟结果发现:弹性模量越大,水平应力差越小;压裂液黏度越低,延伸比越大,则整个储层的改造体积越大;水平应力差对储层改造体积结果的影响最为敏感。天然裂缝分布越低,虽然改造体积较为理想,但由于牺牲了裂缝网络的复杂程度,因此有时并不意味着更好的改造效果。该理论成果可为页岩储层水力压裂设计及产能分析提供有效的技术支持。     

钻井—压裂—生产全过程储层应力演化与加密井压裂优化

水平井水力压裂是致密油藏的有效开发模式,而新钻井则可以提高油藏的开采程度。钻井、压裂和生产过程均诱发储层应力发生变化,进而影响加密井的压裂设计。国内外尚未有相关研究使用同一种方法实现钻井—压裂—生产全过程储层应力演化模拟,从而指导加密井的压裂施工优化。采用基于有限元的非连续离散裂缝数值方法,在钻井和压裂过程中通过动态网格技术描述井筒和裂缝的延伸,非连续离散裂缝模型可采用常规有限元网格进行计算,可以与离散裂缝模型完美契合,从而实现钻井—压裂—生产一体化数值模拟。以致密油区块加密井施工为例,对加密井区域待施工井进行钻井—压裂—生产一体化模拟,并以井区开采经济最大化为导向,为加密井压裂优化提供指导方法。模拟结果显示:老井的长期生产过程使得加密井区域地层压力和地应力均减小,最大水平主应力方向发生偏转;考虑老井生产的影响,加密井钻进过程中的钻井液密度不能再使用原始地层压力剖面设计;在钻井液柱压力不大于现阶段最小水平主应力的情况下,井筒钻开后,加密井周围最大水平主应力方向进一步发生偏转,使得裂缝初始扩展方向沿井筒偏转;在加密井压裂前对老井进行注水增压可以改善加密井压裂效果。所建立的数值方法可以实现钻井—压裂—生产全过程储层应力演化模拟,以及压裂—生产一体化数值模拟,进而优化加密井压裂设计。     

页岩气储层蠕变特性及其对页岩气开发的影响

页岩气储层渗透率极低,必须经过压裂改造才能形成有效产能,大量狭小自支撑裂缝在天然气解吸及流动中具有重要作用。页岩气储层生产周期长,人工裂缝导流能力对裂缝变形极其敏感。研究结果表明,页岩气储层具有一定的蠕变特性,并随着粘土含量的增加而增强。压裂改造后,储层会产生大量裂缝,裂缝闭合蠕变是蠕变形变的主要形式。裂缝的存在会使储层蠕变速率大幅度提高,并对裂缝导流能力产生不可忽视的影响。裂缝闭合蠕变速率与裂缝界面之间、裂缝界面与支撑剂间的相互作用有关,并与基质蠕变速率成正比。压裂改造形成的裂缝网络越发育、单裂缝宽度越小,蠕变对裂缝导流能力的影响越大。在页岩气数值模拟中,考虑裂缝闭合蠕变的累积产量与未考虑裂缝闭合蠕变的累积产量相差较大。同时,在地应力计算、储层可改造性、支撑剂和施工参数优选以及生产方式的选择等方面也应考虑蠕变的影响,保持流体压力有利于减小蠕变形变,维持裂缝导流能力,提高气井产能和采收率。